Chemia na papierze - część 2. Pisanie barwą
Jest rok 1903. W pracowni Uniwersytetu Warszawskiego Michaił Siemionowicz Cwiet (ówcześnie była to rosyjska uczelnia) od kilku lat zajmuje się barwnikami roślinnymi (1). W tym celu, jak setki razy do tej pory, rozciera kawałki roślin z kredą, aby łatwiej rozgnieść tkanki i uzyskać roztwór zawierający sok komórkowy. Wie jednak, że czeka go dużo pracy, ponieważ rozdzielenie tak uzyskanej mieszaniny na składniki to skomplikowana procedura. Tym razem jednak uwagę badacza przykuwa coś niezwykłego - na powierzchni kredy pojawiają się kolorowe pasma poszczególnych barwników.
Nowa metoda
Cwiet nie był pierwszym, który zauważył, że substancje mogą się rozdzielać podczas przenikania roztworu przez porowaty nośnik - inni botanicy także zajmowali się analizą zawartości komórek roślinnych i od pół wieku znane były obrazy Rungego. Jego niewątpliwą zasługą jest jednak to, że wpadł na pomysł praktycznego zastosowania swojej obserwacji (rozdzielenie barwników było efektem użycia odpowiednio dobranego rozpuszczalnika, którym je wymywał z roztartego materiału). Następne lata badań przyniosły praktyczną procedurę postępowania: pionowo ustawioną szklaną kolumnę wypełniano ubitą kredą, a roztwór barwników roślinnych nalewano na jej szczyt. Podczas przesączania się cieczy w dół poszczególne składniki mieszaniny były zatrzymywane w różnych warstwach kredy. Ponieważ były one widoczne jako kolorowe pasma, wystarczyło wypchnąć kredowe wypełnienie i po prostu pokroić je na kawałki, a następnie z odpowiednich warstw wypłukać rozdzielone barwniki: zielone chlorofile, żółte ksantofile i pomarańczowe karoteny (2). W porównaniu ze żmudnym rozdzielaniem za pomocą operacji chemicznych w kolbach i probówkach metoda jest banalnie prosta. Inny sposób wydzielenia czystych barwników polegał na przepuszczaniu rozpuszczalnika tak długo, aż kolorowe pasma przesunęły się na sam dół kolumny i wypłynęły wraz z jego kolejnymi porcjami. W odpowiednim momencie wystarczyło podstawić naczynie i otrzymywało się roztwór czystego barwnika, wolny od pozostałych związków (3).
Nazwa metody - chromatografia - pojawiła się oficjalnie w roku 1906, a pochodzi od greckich słów chroma (barwa) i grapho (piszę), czyli dosłownie oznacza „pisanie barwą”. Złośliwcy jednak twierdzili, że Cwiet w nazwie uwiecznił swoje nazwisko (cwiet to po rosyjsku m.in. barwa). Gdyby nawet tak było, nie można mieć pretensji do wynalazcy, zwłaszcza, że metoda okazała się nadzwyczaj przydatna.
Chromatografia powoli zdobywała uznanie świata nauki i praktycznie aż do lat 30. XX wieku była tylko ciekawostką. Dopiero po wprowadzeniu nowych jej odmian (patrz: Chromatografia niejedno ma imię) metoda stała się niezwykle użytecznym sposobem separacji i identyfikowania substancji chemicznych. Swoją przydatność potwierdziła, gdy za jej pomocą nauczono się wreszcie wydajnie rozdzielać lantanowce, pierwiastki o niemal identycznych właściwościach chemicznych. Doświadczenie zdobyte podczas prac nad metalami ziem rzadkich pozwoliło Glenowi Seaborgowi i jego współpracownikom w latach 40. i 50. ubiegłego wieku zidentyfikować nowe pierwiastki transuranowe (niektóre z nich wytworzono w ilo-ściach zaledwie setek lub nawet dziesiątek atomów) (4). Kolejne lata przyniosły coraz szersze zastosowanie chromatografii w wielu dziedzinach. Obecnie jest ona standardową metodą laboratoryjną stosowaną nie tylko przez chemików, ale także fizyków, biologów i biochemików, analityków medycznych, producentów leków, pracowników ochrony środowiska czy też techników kryminalistyki.
Cwiet z wykształcenia był botanikiem, ale jego najważniejsze prace dotyczyły chemii i zostały dokonane w Warszawie, na tamtejszych uczelniach - uniwersytecie i politechnice. Patrząc na rolę chromatografii we współczesnym świecie, nie sposób nie zgodzić się z epitafium widocznym na nagrobku Cwieta: Wynalazł chromatografię, rozdzielającą cząsteczki, ale łączącą ludzi.
Jak to działa?
Podstawą rozdzielania substancji metodą chromatograficzną jest, podobnie jak w przypadku obrazów pana Runge, zjawisko adsorpcji, czyli osadzania cząsteczek i atomów na powierzchni cieczy lub ciała stałego poprzez odziaływania natury fizycznej lub chemicznej. Ponieważ niektóre substancje mają szczególnie silne powinowactwo do innych (łatwo się na nich osadzają), odpowiedni dobór adsorbenta (nośnik, na którym zachodzi osadzanie) ma podstawowe znaczenie. Równolegle zachodzi także zjawisko podziału substancji pomiędzy dwie ciecze: roztwór przepływający przez adsorbent i ciecz zatrzymaną w jego porach (substancja rozpuszcza się w różnym stopniu w obu fazach ciekłych). Dobór rozpuszczalnika ma zatem równie ważne znaczenie dla prawidłowego przebiegu procesu rozdziału, a o sukcesie decyduje wspólne działanie adsorbenta i rozpuszczalnika. Identyfikacja poszczególnych substancji w rozdzielanej mieszaninie następuje najczęściej poprzez porównanie z wynikami chromatografii czystej substancji wykonanej w takich samych warunkach (na podstawie położenia uzyskanych pasm czy też plamek).
Do klasyfikacji metod chromatograficznych stosowane są różne kryteria. W zależności od rodzaju użytego rozpuszczalnika chromatografię dzielimy na cieczową i gazową (dla analizy substancji lotnych). Natomiast rodzaj i forma użytego adsorbenta pozwalają wyróżnić następujące jej rodzaje:
• chromatografia bibułowa, w której rozdział zachodzi na bibule (zajmujesz się właśnie tym rodzajem metody).
• chromatografia cienkowarstwowa - nośnik mineralny jest umieszczony na płytce jako warstwa grubości do kilku milimetrów.
• chromatografia kolumnowa - nośnik wypełnia szklaną lub metalową kolumnę.
• chromatografia jonowymienna - nośnik to wymieniacz jonowy (jonit), czyli substancja mająca zdolność wiązania anionów lub kationów z roztworu i wprowadzania na ich miejsce jonów wodorotlenowych i wodorowych. Jonit jest zwykle umieszczony w kolumnie chromatograficznej.
Twoja aparatura chromatograficzna
Z pewnością chciałbyś już zobaczyć chromatografię w akcji. Zgodnie z tytułem serii, jako adsorbenta użyjesz papieru, czyli tak jak poprzednim razem - bibuły. Do zastosowań profesjonalnych wytwarzana jest specjalna bibuła chromatograficzna, ale wystarczająco dobre rezultaty uzyskasz za pomocą bibuły do osuszania atramentu, sączków analitycznych lub nawet filtrów do ekspresu do kawy (papierowe ręczniki kuchenne są zbyt słabe mechanicznie po namoczeniu i będą się przedzierać). Rozpuszczalnikami mogą być różne ciecze, ale zazwyczaj dobre efekty przynosi zastosowanie roztworu alkoholu etylowego (bezbarwny denaturat), rozpuszczalników do farb i lakierów czy też octu. Przydadzą ci się jeszcze słoiki z zakrętkami, płyta CD i bawełniana sznurówka.
Chromatografia bibułowa w domowym laboratorium
Wykonaj swój chromatogram, czyli obraz chromatograficzny. Wytnij prostokątne paski bibuły rozmiarach dopasowanych do posiadanej komory chromatograficznej, czyli słoika z zakrętką (końce pasków możesz przyciąć w kształt klina). W odległości około centymetra od końca paska nanieś kroplę analizowanego roztworu, starając się osiągnąć jak najmniejszą średnicę plamki, a po wysuszeniu czynność powtórz, aby mieć więcej substancji do analizy. Zacznij od czarnego tuszu do drukarki lub też do napełniania piór czy długopisów. Pasek bibuły zamocuj do wieczka słoika (np. taśmą klejącą), na dno naczynia nalej odrobinę rozpuszczalnika do farb tak, aby tylko koniec paska był w nim zanurzony. Zakręć słoik (stanowczo unikaj wdychania oparów rozpuszczalnika organicznego) i poczekaj na wynik. Gdy ciecz dotrze do końca paska (mówimy, że chromatogram się rozwija), odkręć wieczko, odklej pasek i wysusz go (5). Prawda, że proste? Czy spodziewałeś się, że czarny tusz złożony jest z kilku barwników? Uzyskanie matowej, głębokiej czerni jest trudnym zadaniem i trzeba stosować mieszaniny pigmentów (6). Jeżeli chromatogram nie rozwija się właściwie, zazwyczaj pomaga zmiana rozpuszczalnika (np. na aceton, zmywacz do lakieru do paznokci, ocet, a nawet wodę). Samo doświadczenie trwa bardzo krótko, możesz więc szybko wypróbować różne odczynniki.
Powyższa odmiana metody nosi nazwę chromatografii bibułowej wstępującej (rozpuszczalnik „wspina” się po bibule). Innym rozwiązaniem jest nalanie rozpuszczalnika na spodek znajdujący się na podstawce, natomiast paski bibuły umieszczasz tak, aby zwieszały się z niego (chromatografia zstępująca, w której rozpuszczalnik spływa w dół). Pamiętaj, aby całość aparatury ulokować na tacy - w ten sposób unikniesz zalania stołu (zalecenie obowiązuje również podczas innych eksperymentów, wypadek przy pracy zawsze może się zdarzyć). Jeszcze bardziej interesujący jest chromatogram krążkowy. Okrągły fragment bibuły z dziurką w środku (np. cały sączek) umieść na krążku ze sztywnego tworzywa sztucznego, również z otworem pośrodku (do tego celu idealnie nadaje się płyta CD). Wokół otworu w bibule nanieś porcję rozdzielanej substancji w kształcie pierścienia. Rozpuszczalnik wlej do słoika, a w zakrętce wykonaj otwór i przewlecz bawełniany knot (sznurówkę) tak, aby zanurzył się w cieczy. Następnie nałóż krążek z bibułą na słoik - knot znajduje się w środku otworu i dotyka bibuły. Po nasączeniu sznurka rozpuszczalnik wędruje od punktu centralnego we wszystkie strony, rozwijając chromatogram (podstawka ze sztywnego tworzywa sztucznego jest niezbędna, aby bibuła „nie oklapła”) (7).
Jeszcze inną ciekawą modyfikacją metody jest przeprowadzenie rozdziału w lejku. Wokół czubka 7. Chromatografia krążkowa czarnych tuszów złożonego sączka nanieś porcję substancji do rozdziału, a następnie umieść bibułę w lejku. Lejek wstaw do zlewki lub słoika tak, aby koniec sączka dotykał powierzchni cieczy. Po rozwinięciu chromatogramu wyjmij sączek, rozłóż go i wysusz. Rezultaty prezentują się bardzo efektownie.
Jako próbek do analizy możesz użyć także tuszu z kolorowych pisaków (plamkę wykonujesz, po prostu rysując kropkę na bibule), mieszaniny barwnych tuszów do drukarki czy też farb do włosów. Równie szeroko prezentuje się gama dostępnych rozpuszczalników. Pole do eksperymentów jest więc bardzo szerokie. Pamiętaj tylko o zwykłych zasadach bezpieczeństwa w domowym laboratorium.
Krzysztof Orliński
